OPV treibt kapazitive Last

[Simone Winkler]

Hallo,

für meine Diplomarbeit möchte ich folgendes zeigen:

Ich betreibe einen AD-Wandler mit einer OPV-Schaltung, die den Eingang
puffert und außerdem verstärkt (10x).
Dafür wird ein invertierender Verstärker verwendet, der weiters mit einem
Kondensator parallel zum Widerstand in der Rückkopplung und einen (kleinen)
Serienwiderstand R_S hinter dem Ausgang versehen ist.

Dieser Serienwiderstand soll empfohlenerweise zwischen Ende des
Rückkoppelwiderstandes und Ende des Rückkoppelkondensators eingefügt werden,
sodaß der Kondensator also direkt am Ausgang des OPVs liegt, dann der kleine
Widerstand, der dann mit dem Ende des Rückkoppelwiderstandes zusammentrifft.

Das erhöht bekanntlich die Stabilität bei hohen kapazitiven Lasten.

Eine zweite Lösung, die ich in einer Schaltung aufgebaut hat (funktioniert!)
ist es, einfach den kleinen Serienwiderstand ganz hinter den Ausgang zu
plazieren, also Widerstand und Kondensator in der Rückkopplung wirklich
parallel zu schalten.


Diese zwei Lösungen möchte ich nun mathematisch darstellen - ich möchte also
zeigen, daß in mit sinkendem Widerstand R_S (der kleine Serienwiderstand)
ein Pol (bzw. sein Realteil) der Übertragungsfunktion in Richtung 0 wandert.

Ich habe das ganze modelliert (kann es bei Bedarf ins Netz stellen) - aber
irgendwie sieht es nicht danach aus, als könnte man den Effekt, kapazitive
Lasten zu treiben, in der Übertragungsfunktion sehen.
Mein OPV-Modell ist momentan ein einfacher Tiefpaß, ich habe also in der
Herleitung der Übertragungsfunktion die Differenzspannung zwischen
nichtinvertierenden und invertierenden Eingang als OPV-Ausgangsspannung /
Verstärkung des offenen Kreises modelliert. Die Verstärkung des offenen
Kreises wiederum hat dabei einfache Tiefpaßcharakteristik (mit einem Pol).

Kann ich überhaupt so vorgehen? Oder hängt das Treiben kapazitiver Lasten
von ganz anderen Dingen ab, die man mit blanker Systemtheorie nicht
behandeln kann?

Vielen Dank,
Simone Winkler

[Winfried Salomon]

Hallo Simone,

Post by Simone Winkler
Hallo,
Ich betreibe einen AD-Wandler mit einer OPV-Schaltung, die den Eingang
puffert und außerdem verstärkt (10x).
Dafür wird ein invertierender Verstärker verwendet, der weiters mit einem
Kondensator parallel zum Widerstand in der Rückkopplung und einen (kleinen)
Serienwiderstand R_S hinter dem Ausgang versehen ist.
Dieser Serienwiderstand soll empfohlenerweise zwischen Ende des
Rückkoppelwiderstandes und Ende des Rückkoppelkondensators eingefügt werden,
sodaß der Kondensator also direkt am Ausgang des OPVs liegt, dann der kleine
Widerstand, der dann mit dem Ende des Rückkoppelwiderstandes

zusammentrifft.

Post by Simone Winkler
Das erhöht bekanntlich die Stabilität bei hohen kapazitiven Lasten.

diese Schaltung wird benutzt, um die Stabilität nichtinvertierender
Verstärker bezüglich Lastkapazität zu verbessern. Es gibt eine andere
Schaltung für invertierende, die aber deutlich abweicht. In diesem Fall wird
R_S direkt in den Ausgang des OP gelegt, bevor die Rückkopplung angreift.

Ob Deine Schaltung auch bei invertierender Verstärkung wirkt, kann ich so
von vornherein nicht sagen, aber rein intuitiv gesehen schon.

Post by Simone Winkler
Eine zweite Lösung, die ich in einer Schaltung aufgebaut hat

(funktioniert!)

Post by Simone Winkler
ist es, einfach den kleinen Serienwiderstand ganz hinter den Ausgang zu
plazieren, also Widerstand und Kondensator in der Rückkopplung wirklich
parallel zu schalten.

Habe ich nicht ganz verstanden, R_S so wie oben oder einfach nur in Reihe
zur Lastkapazität? Beides wäre sinnvoll.

Post by Simone Winkler
Diese zwei Lösungen möchte ich nun mathematisch darstellen - ich möchte also
zeigen, daß in mit sinkendem Widerstand R_S (der kleine Serienwiderstand)
ein Pol (bzw. sein Realteil) der Übertragungsfunktion in Richtung 0 wandert.
Ich habe das ganze modelliert (kann es bei Bedarf ins Netz stellen) - aber
irgendwie sieht es nicht danach aus, als könnte man den Effekt, kapazitive
Lasten zu treiben, in der Übertragungsfunktion sehen.
Mein OPV-Modell ist momentan ein einfacher Tiefpaß, ich habe also in der
Herleitung der Übertragungsfunktion die Differenzspannung zwischen
nichtinvertierenden und invertierenden Eingang als OPV-Ausgangsspannung /
Verstärkung des offenen Kreises modelliert. Die Verstärkung des offenen
Kreises wiederum hat dabei einfache Tiefpaßcharakteristik (mit einem Pol).

Ich glaube, Du hast den reellen Innenwiderstand des OP-Modells vergessen,
der steht im Datenblatt und wenn nicht, kann man vielleicht 'nen groben
Schätzwert von 100 Ohm annehmen. Ohne den kannste beliebig große kapazitive
Lasten ohne Stabilitätsprobleme an den Ausgang hängen. Der Witz ist ja, daß
sich mit diesem Innenwiderstand und der Lastkapazität in der
Leerlaufverstärkung eine weitere Polstelle bildet, die dann zur Instabilität
führen kann.

Post by Simone Winkler
Kann ich überhaupt so vorgehen? Oder hängt das Treiben kapazitiver Lasten
von ganz anderen Dingen ab, die man mit blanker Systemtheorie nicht
behandeln kann?

Magie? ;-)


mfg. Winfried

[Simone Winkler]

Post by Winfried Salomon
Ob Deine Schaltung auch bei invertierender Verstärkung wirkt, kann ich so
von vornherein nicht sagen, aber rein intuitiv gesehen schon.

[...]

Post by Winfried Salomon
Habe ich nicht ganz verstanden, R_S so wie oben oder einfach nur in Reihe
zur Lastkapazität? Beides wäre sinnvoll.

Ich habe ein Bild der Schaltung (im Prinzip, also ohne Werte) auf
Loading Image... gestellt.
Das sollte eigentlich schon die Lösung für einen invertierenden Verstärker
sein.

Post by Winfried Salomon
Ich glaube, Du hast den reellen Innenwiderstand des OP-Modells vergessen,
der steht im Datenblatt und wenn nicht, kann man vielleicht 'nen groben
Schätzwert von 100 Ohm annehmen. Ohne den kannste beliebig große kapazitive
Lasten ohne Stabilitätsprobleme an den Ausgang hängen. Der Witz ist ja, daß
sich mit diesem Innenwiderstand und der Lastkapazität in der
Leerlaufverstärkung eine weitere Polstelle bildet, die dann zur Instabilität
führen kann.

Aber wenn ich den OPV bereits als Tiefpaß modelliert hab? Zwar nur 1.
Ordnung, aber...?
Wie ist der Ausgangswiderstand miteinzubeziehen? Einfach die
Ausgangsspannung vor dem Ausgangswiderstand ansetzen und ihn so mitrechnen?
Lt. Datenblatt hat mein Ausgangswiderstand einen Wert von 3 mOhm. Sehr
suspekt.... Das ist der AD797 von Analog Devices.

Habe grad übrigens auch ein interessantes Tool gefunden:
http://www.analog.com/Analog_Root/static/techSupport/designTools/interactiveTools/stability/stability.html

Hilft mir zwar nicht bei der Berechnung, ist aber trotzdem sinnvoll.

Simone

[Winfried Salomon]

Hallo Simone,

Post by Simone Winkler

Post by Winfried Salomon
Ob Deine Schaltung auch bei invertierender Verstärkung wirkt, kann ich so
von vornherein nicht sagen, aber rein intuitiv gesehen schon.

[...]

Post by Winfried Salomon
Habe ich nicht ganz verstanden, R_S so wie oben oder einfach nur in Reihe
zur Lastkapazität? Beides wäre sinnvoll.

Ich habe ein Bild der Schaltung (im Prinzip, also ohne Werte) auf
http://simsi.superihost.com/electronics/figure22_mod.gif gestellt.
Das sollte eigentlich schon die Lösung für einen invertierenden Verstärker
sein.

ok, die Schaltung ist soweit bekannt, beziehen wir uns also drauf.

Post by Simone Winkler

Post by Winfried Salomon
Ich glaube, Du hast den reellen Innenwiderstand des OP-Modells vergessen,
der steht im Datenblatt und wenn nicht, kann man vielleicht 'nen groben
Schätzwert von 100 Ohm annehmen. Ohne den kannste beliebig große kapazitive
Lasten ohne Stabilitätsprobleme an den Ausgang hängen. Der Witz ist ja, daß
sich mit diesem Innenwiderstand und der Lastkapazität in der
Leerlaufverstärkung eine weitere Polstelle bildet, die dann zur Instabilität
führen kann.

Aber wenn ich den OPV bereits als Tiefpaß modelliert hab? Zwar nur 1.
Ordnung, aber...?

In Wirklichkeit kommen da vielleicht mehr als 10 Pole hinzu, aber das
kannste nicht mehr berechnen. Mit 2 Polstellen kommst Du nur asymptotisch an
den Stabilitätsrand, aber dann mußte schon 'ne quadratische Gleichung lösen.
Bei 3 Polstellen schon Cardan'sche Gleichung, horrender Aufwand, die
Wurzelortskurven würde ich dann numerisch machen, vielleicht Matlab oder
eigenes Programm, auch horrender Aufwand :-).

Post by Simone Winkler
Wie ist der Ausgangswiderstand miteinzubeziehen? Einfach die
Ausgangsspannung vor dem Ausgangswiderstand ansetzen und ihn so mitrechnen?

Wenn ich Dich jetzt richtig verstanden habe, ja. In Deinem Plan wäre das R0,
links davon wäre dann die neue OP-Ausgangsspannung, also 1 Knoten mehr und
damit größerer Rechenaufwand.

Post by Simone Winkler
Lt. Datenblatt hat mein Ausgangswiderstand einen Wert von 3 mOhm. Sehr
suspekt.... Das ist der AD797 von Analog Devices.

Ja, das ist dumm. Habe mir das Datenblatt angesehen, die 3 mOHM ist der
Ausgangswiderstand bei voller Gegenkopplung als Buffer und bei 1 KHz. Da
kann man nur rückrechnen, hab ich mal für Dich getan:

Ro=Ri*(1+V0)

Ri= gemessener Ausgangswiderstand Buffer, hier 3 mOHM
V0= offene Schleifenverstärkung bei hier 1 KHz, als Betrag 1.e5

Dabei kommt man auf ca. 300 Ohm, was mir schon etwas viel vorkommt. Bin auch
nicht sicher ob das so stimmt, weil V0 komplex ist, bzw. bei 1 KHz rein
imaginär. Möglicherweise ist R0 nur der Betrag der obigen Gleichung, aber
das gemessene Ri könnte auch nur imaginär sein. Auf jeden Fall ist R0 aber
reell hoffe ich. Aber da sieht man mal wieder, die Hersteller schreiben
alles Mögliche, nur nicht das was man braucht.
http://www.analog.com/Analog_Root/static/techSupport/designTools/interactiveTools/stability/stability.html

Post by Simone Winkler
Hilft mir zwar nicht bei der Berechnung, ist aber trotzdem sinnvoll.

Der Artikel behandelt die Frequenzgangkompensation von OPs, damit sollte man
sich unbedingt beschäftigen, wenn man mal wirklich 'ne Schaltung ausbauen
möchte.

mfg. Winfried

[Joerg]

Hallo Simone,

Post by Simone Winkler
http://www.analog.com/Analog_Root/static/techSupport/designTools/interactiveTools/stability/stability.html
Hilft mir zwar nicht bei der Berechnung, ist aber trotzdem sinnvoll.

Was bei solchen Sachen sehr hilft, ist LTSpice von Linear Technology.
Mitsamt Opamp Modellen. Oder gueldet so etwas bei einer Diplomarbeit
nicht? Wir haetten es zu meiner Zeit gedurft, solange nur am Ende das
Projekt auch wie gefordert funktionierte und dokumentiert war.
Allerdings hatten wir kaum Zugriff auf Rechner.

Gruesse, Joerg

http://www.analogconsultants.com

[Simone Winkler]

Post by Winfried Salomon
Hallo Simone,

Post by Simone Winkler
http://www.analog.com/Analog_Root/static/techSupport/designTools/interactiveTools/stability/stability.html
Hilft mir zwar nicht bei der Berechnung, ist aber trotzdem sinnvoll.

Was bei solchen Sachen sehr hilft, ist LTSpice von Linear Technology.
Mitsamt Opamp Modellen. Oder gueldet so etwas bei einer Diplomarbeit
nicht? Wir haetten es zu meiner Zeit gedurft, solange nur am Ende das
Projekt auch wie gefordert funktionierte und dokumentiert war. Allerdings
hatten wir kaum Zugriff auf Rechner.
Gruesse, Joerg
http://www.analogconsultants.com

Hab ich auch gemacht. :)
Allerdings ist genau dieser Effekt im zugehörigen OPV-Modell nicht
enthalten...und ich solls natürlich zusätzlich rechnen.

Danke!
Simone

[Winfried Salomon]

Hallo Simone,

"Simone Winkler" <***@gmx.at> schrieb im Newsbeitrag news:***@e-post.inode.at...
[....]

Post by Simone Winkler

Post by Joerg
Was bei solchen Sachen sehr hilft, ist LTSpice von Linear Technology.
Mitsamt Opamp Modellen. Oder gueldet so etwas bei einer Diplomarbeit
nicht? Wir haetten es zu meiner Zeit gedurft, solange nur am Ende das
Projekt auch wie gefordert funktionierte und dokumentiert war. Allerdings
hatten wir kaum Zugriff auf Rechner.
Gruesse, Joerg
http://www.analogconsultants.com

Hab ich auch gemacht. :)
Allerdings ist genau dieser Effekt im zugehörigen OPV-Modell nicht
enthalten...und ich solls natürlich zusätzlich rechnen.

schau mal bei Analog Devices nach Spice-Modellen, ich hab's mal angehängt.
Hab dann mal mit Pspice 7.1 Deine Schaltung simuliert und man kann das
wunderbar feststellen. Als Innenwiderstand sind da aber eher 40 Ohm statt
300 Ohm zu sehen. Du kannst auch die Hotline von Analog Devices wegen dieser
Frage kontaktieren, früher waren die mal gut.

Die OP-Modelle von Analog Devices sind die besten, die ich kenne, ideal sind
sie natürlich auch nicht. Die von Texas Instruments, Linear Technologies
u.a. kannst Du vergessen, deren Vorteil ist nur, daß der Simulator stabil
bleibt.

LTspice kenne ich jetzt nicht, aber benutze mal das Original-Modell, das ich
angehängt habe, da geht es. Bei Pspice gibt es das Problem der
Demo-Beschränkung, da darfst Du keine Subcircuits (Unterprogramme)
benutzen, sondern mußt die im ASCII-Editor selbst flachklopfen. Vielleicht
ist das bei LTSpice nicht so.


mfg. Winfried


----------------------------------------------------------------------------
---------------
* AD797 SPICE Macro-model 10/92, Rev. A
* AAG / PMI
*
* Copyright 1992 by Analog Devices, Inc.
*
* Refer to "README.DOC" file for License Statement. Use of this model
* indicates your acceptance with the terms and provisions in the License
* Statement.
*
* Node assignments
* non-inverting input
* | inverting input
* | | positive supply
* | | | negative supply
* | | | | output
* | | | | | decompensation
* | | | | | |
.SUBCKT AD797 1 2 99 50 38 14
*
* INPUT STAGE & POLE AT 500 MHz
*
IOS 1 2 DC 50E-9
CIND 1 2 20E-12
CINC1 1 98 5E-12
GRCM1 1 98 POLY(2) 1 31 2 31 (0,5E-9,5E-9)
GN1 0 1 44 0 1E-3
CINC2 2 98 5E-12
GRCM2 2 98 POLY(2) 1 31 2 31 (0,5E-9,5E-9)
GN2 0 2 47 0 1E-3
EOS 9 3 POLY(1) 22 31 25E-6 1
EN 3 1 41 0 0.1
D1 2 9 DX
D2 9 2 DX
Q1 5 2 4 QX
Q2 6 9 4 QX
R3 97 5 0.5172
R4 97 6 0.5172
C2 5 6 3.0772E-10
I1 4 51 100E-3
EPOS 97 0 99 0 1
ENEG 51 0 50 0 1
*
* INPUT VOLTAGE NOISE GENERATOR
*
VN1 40 0 DC 2
DN1 40 41 DEN
DN2 41 42 DEN
VN2 0 42 DC 2
*
* +INPUT CURRENT NOISE GENERATOR
*
VN3 43 0 DC 2
DN3 43 44 DIN
DN4 44 45 DIN
VN4 0 45 DC 2
*
* -INPUT CURRENT NOISE GENERATOR
*
VN5 46 0 DC 2
DN5 46 47 DIN
DN6 47 48 DIN
VN6 0 48 DC 2
*
* GAIN STAGE & DOMINANT POLE AT 7.33 Hz
*
EREF 98 0 31 0 1
G1 98 10 5 6 10
R7 10 98 10
E1 99 11 POLY(1) 99 31 -2.294 1
D3 10 11 DX
E2 12 50 POLY(1) 31 50 -2.294 1
D4 12 10 DX
G2 98 13 10 31 1E-3
R8 13 98 10
G3 99 14 98 13 34.558E-3
G4 99 16 98 98 34.558E-3
G5 14 15 15 14 20E-3
G6 16 17 17 14 20E-3
R9 15 18 400
R10 17 18 400
E3 18 98 16 98 1
R11 16 98 4.3406E8
C5 16 98 50E-12
V1 99 19 DC 2.2542
D5 16 19 DX
V2 20 50 DC 2.2542
D6 20 16 DX
RDC 14 98 1E15
*
* COMMON-MODE GAIN NETWORK WITH ZERO AT 1.35 kHz
*
ECM 21 98 POLY(2) 1 31 2 31 (0,158.11E-3,158.11E-3)
RCM1 21 22 1
CCM 21 22 1.1789E-4
RCM2 22 98 1E-6
*
* POLE-ZERO PAIR AT 3.9 MHz/10 MHz
*
GPZ 98 23 16 98 1
RPZ1 23 98 1
RPZ2 23 24 0.63934
CPZ 24 98 24.893E-9
*
* NEGATIVE ZERO AT -300 MHz
*
ENZ 25 98 23 31 1E6
RNZ1 25 26 1
CNZ 25 26 -5.3052E-10
RNZ2 26 98 1E-6
*
* POLE AT 300 MHz
*
GP2 98 27 26 31 1
RP2 27 98 1
CP2 27 98 5.3052E-10
*
* POLE AT 500 MHz
*
GP3 98 28 27 31 1
RP3 28 98 1
CP3 28 98 3.1831E-10
*
* POLE AT 500 MHz
*
GP4 98 29 28 31 1
RP4 29 98 1
CP4 29 98 3.1831E-10
*
* OUTPUT STAGE
*
VW 29 30 DC 0
RDC1 99 31 23.25E3
CDC 31 0 1E-6
RDC2 31 50 23.25E3
GO1 98 32 37 30 25E-3
DO1 32 33 DX
VO1 33 98 DC 0
DO2 34 32 DX
VO2 98 34 DC 0
FDC 99 50 POLY(2) VO1 VO2 7.56E-3 1 1
VSC1 35 37 0.945
DSC1 30 35 DX
VSC2 37 36 0.745
DSC2 36 30 DX
FSC1 37 0 VSC1 1
FSC2 0 37 VSC2 1
GO3 37 99 99 30 25E-3
GO4 50 37 30 50 25E-3
RO1 99 37 40
RO2 37 50 40
LO 37 38 10E-9
*
* MODELS USED
*
.MODEL QX NPN(BF=2E5)
.MODEL DX D(IS=1E-15)
.MODEL DEN D(IS=1E-12 RS=6.3708E3 AF=1 KF=1.59E-15)
.MODEL DIN D(IS=1E-12 RS=474 AF=1 KF=7.816E-15)
.ENDS AD797

[Joerg]

Hallo Simone,

Post by Simone Winkler

Post by Joerg
Was bei solchen Sachen sehr hilft, ist LTSpice von Linear Technology.
Mitsamt Opamp Modellen. Oder gueldet so etwas bei einer Diplomarbeit
nicht? Wir haetten es zu meiner Zeit gedurft, solange nur am Ende das
Projekt auch wie gefordert funktionierte und dokumentiert war. Allerdings
hatten wir kaum Zugriff auf Rechner.

Hab ich auch gemacht. :)
Allerdings ist genau dieser Effekt im zugehörigen OPV-Modell nicht
enthalten...und ich solls natürlich zusätzlich rechnen.

Er sollte eindeutig zu sehen sein, wie Winfried sagte. Kapazitive Last
bei Opamps ist einer der Hauptgruende, warum manche Neuentwicklung nicht
funktioniert. Es ist nicht nur die Schwingneigung, die der Simulator
normalerweise eindeutig zeigt. Es ist auch bei schnellen Signalen die
Last, die die Endstufe sieht. Ob Logik Chip oder schneller Opamp, damit
quaelt man das letzte Transistorpaerchen im Chip manchmal bis es kaputt
geht.

Gruesse, Joerg

http://www.analogconsultants.com